3859 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ СТАТИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

 

 

Цель работы: изучение принципа работы статического магнитного масс-спектрометра; проведение численного эксперимента с помощью программы моделирования работы магнитного масс-спектрометра; исследование зависимости его характеристик от параметров конструкции.

 

Основы теории работы

магнитных масс-спектрометров

 

Магнитный масс-спектрометр является наиболее распространенным прибором, используемым для органического анализа. Его популярность определяется различными факторами. Во-первых, привлекают относительная простота конструкции и легкость в управлении. Во-вторых, разрешение 300¸1000 легко достигается при использовании небольших по размеру масс-спектрометров, а разрешение от 300 до 7000 - в приборах, имеющих большие геометрические размеры. Кроме того, большое значение имеет историческое предубеждение, связанное с тем, что самые первые библиотеки спектров масс были составлены именно с помощью магнитных масс-спектрометров.

Принцип работы. В основе принципа работы магнитного масс-спектрометра лежит явление пространственного разделения пучков ионов, движущихся в однородном магнитном поле, в зависимости от их импульсов, а при фиксированной энергии – от отношения массы к заряду.

Конструкция типичного магнитного анализатора показана на рис. 1. Ионы, образованные в ионном источнике 1, ускоряются и через щель источника S1 направляются в однородное магнитное поле со скоростью v. Для ионов, имеющих заряд e и массу m, зависимость кинетической энергии от ускоряющего потенциала U определяется следующим уравнением:

.                                      (1)

Ионы, попадая в магнитное поле с индукцией B, начинают двигаться по дуге окружности радиуса r вследствие действия на них силы Лоренца, которая играет роль центростремительной силы:

.                                        (2)

Исключение скорости из первых двух уравнений приводит к хорошо известной формуле:

.                                         (3)

 

Рис. 1. Принципиальная схема 180-градусного

магнитного масс-спектрометра: 1 – ионный

источник; 2 – коллектор ионов, S1 и S2 – щели

Таким образом, при постоянном радиусе r масса однозарядных ионов, фокусируемых в щель S2 и попадающих на коллектор, пропорциональна квадрату индукции магнитного поля и обратно пропорциональна ускоряющему напряжению.

Развертка спектра масс осуществляется либо путем изменения ускоряющего потенциала U, либо путем изменения индукции магнитного поля B. Для большинства применений предпочтительнее изменять индукцию магнитного поля, поддерживая постоянной величину ускоряющей разности потенциалов. Это объясняется тем, что при развертке спектра масс изменением ускоряющего потенциала при постоянстве магнитного поля эффективность трансмиссии ионов легких масс гораздо выше, чем для ионов больших масс. Возникает дискриминация тяжелых ионов, которая увеличивается с ростом массы ионов. Поскольку диапазон тяжелых масс является наиболее важной частью спектра, развертка масс изменением напряжения производится только в особых случаях, когда изменение магнитного поля невозможно.